Актуальность работы. Современный подход к использованию индукционной тигельной печи (ИТП) как высокоэффективного и экономичного плавильного агрегата предполагает управление тепловым и электродинамическим воздействием на расплавляемый металл на всех стадиях плавки. Целью этого подхода являются снижение времени плавки и улучшение качества получаемого металла, что имеет большое значение в литейном производстве, где плавильные агрегаты на основе ИТП зарекомендовали себя наилучшим образом. Использование электродинамического воздействия на жидкий металл позволяет создать новый агрегат с расширенными функциональными возможностями, который разрабатывается коллективом кафедры «Электро-техники и электротехнологических систем» (ЭЭТС) совместно с автором работы. Такой агрегат получил название многофункциональный плавильный агрегат (МПА). Основу многофункционального плавильного агрегата образует ИТП. Конструктивной особенностью печи в данном случае является то, что высота и внутренний радиус тигля соизмеримы по величине (как известно, в типовой конструкции ИТП высота тигля много больше его внутреннего диаметра). Такое соотношение размеров во многом связано с особенностями технологических операций, поэтому ряд требований, которые предъявляются к классической ИТП, неприемлем для МПА. В частности, при восстановлении оксидов методом жидкофазного восстановления на вращающейся жидкометаллической подложке выделяется избыточная тепловая энергия за счет экзотермических реакций. Функция нагрева загрузки становится вторичной, превалирующей становится функция обеспечения вращения расплава с необходимой угловой скоростью, обеспечивающей создание параболической лунки достаточной глубины. Лунка образует своеобразный «сосуд» для восстанавливаемых оксидов и шлака. Эту функцию выполняет индуктор электромагнитного вращателя (ЭМВ) с вращающимся магнитным полем.
Если индуктор ИТП питается от инвертора средней частоты, то индуктор ЭМВ питается от преобразователя регулируемой (от средней до низкой) частоты в зависимости от этапа технологического цикла. Если к тому же учесть, что индукторы и система охлаждения МПА должны отводить избы-точное тепло на основной технологической операции, то необходимо рас-смотрение работы агрегата как многокомпонентного электротехнического комплекса, в который входят индукторы ИТП и ЭМВ, источники их питания, системы компенсации реактивной мощности, система охлаждения, система контроля и управления режимами работы.
Объектом исследования является многофункциональный плавильный агрегат как многокомпонентный электротехнический комплекс, состоящий из индукционной тигельной печи, электромагнитного вращателя, источников питания, системы компенсации реактивной мощности, системы охлаждения, системы дозирования и загрузки, системы контроля и управления режимами.
Предмет исследования: режимы работы многофункционального плавильного агрегата.
Цель работы: выработка рекомендаций по формированию энергоэффективных режимов работы агрегата на всех этапах технологического процесса, а также рекомендации по его проектированию.
Решаемые задачи:
1. Построение и разработка достаточно простой, легко реализуемой и корректной математической модели, которая может использоваться для проектирования, а также анализа электромагнитных и тепловых процессов в рабочем режиме ИТП.
2. Создание компьютерной модели МПА, предлагаемого коллективом кафедры ЭЭТС совместно с автором работы.
3. Исследование режимов работы МПА с помощью созданной модели.
4. Создание экспериментальной установки и сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.
5. Формулировка рекомендаций по формированию энергоэффективных режимов работы плавильного агрегата.
6. Формулировка рекомендаций к основным техническим решениям для создания опытно-промышленного образца многофункционального плавильного агрегата.
Методы исследования. В работе используются методы теории электрических цепей, метод эквивалентных тепловых схем замещения, методы конечных разностей и конечных элементов. Основной ряд задач реализован в пакете MATLAB, позволяющем провести расчет всех параметров в одном формуляре. Используются методы компьютерного моделирования с помощью пакета El cut, предназначенного для анализа полевых задач. Также ис-пользуются физические методы исследования с применением лабораторных установок.
Научную новизну представляют математическая и компьютерная модели оригинального МПА, позволяющие в комплексе рассмотреть вопрос управления плавильным агрегатом в различных режимах его работы, результаты анализа указанных режимов, а также рекомендации по их практическому формированию.
Практическая ценность заключается в создании комплекса программных средств для математического моделирования электромагнитных и тепловых процессов многофункционального плавильного агрегата, экспериментального стенда для исследования режимов работы лабораторной модели МПА, а также практических рекомендаций по формированию энергоэффективных режимов его работы.
Реализация
1. Результаты исследования электромагнитных и тепловых процессов в современных плавильных агрегатах для разработки и проектирования современных энергоэффективных индукционных печей переданы ЗАО «РЭЛТЕК» (г. Екатеринбург).
2. Результаты работы используются на кафедре электротехники и электротехнологических систем УрФУ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований и лабораторных работ.
3. Диссертационная работа подготовлена в рамках целевой программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)» «Разработка, технологическое и электрофизическое обоснование процессов получения высоколегированных сплавов (в том числе с упрочняющей нанокристаллической структурой) при интенсификации перемешивания в агрегате с вращением шлака и металла».
Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:
- Международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах». Севастополь, 2007.
- III Международная НТК «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы». Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007.
- VII научно-практическая конференция «Проблемы и достижения в промышленной энергетике». Екатеринбург: ЗАО «Уральские выставки-2000», 2007.
- THE 3rd INTERNATIONAL FORUM ON STRATEGIC TECHNOLOGIES, IFOST - 2008. Novosibirsk State Technical University (Novosibirsk, Russia) - Tomsk Polytechnic University (Tomsk, Russia). June 23-29, 2008.
- XII Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты - МКЭЭ - 2008». Крым, Алушта, 2008.
- VIII научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике», Екатеринбург, 2008.
- Российско-британский семинар молодых ученых и студентов «ЭКОТЕХ-НОЛОГИИ 21 ВЕКА: ЭКОТЕХ - XXI» Проект Британского Совета. Екатеринбург, УГТУ-УПИ , 2007.
- VI Lubuska Konferencja Naukowo-Technicza / Innowacyjne Materialy I Tech-nologie w Elektrotechnice - i-MITEL 2010, Przylesko k. Gorzowa Wielkopol- skiego, 2010.
- II Всероссийская конференция “ИННОВАЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА”, НГТУ, 2010.
- II Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий - АПЭЭТ-11», Екатеринбург, 2011.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 5 приложений. Общий объем 217 страниц. Основная часть изложена на 164 страницах машинописного текста, иллюстрирована 87 рисунками, 8 таблицами. Список использованной литературы содержит 101 наименования.
Соответствие темы исследования паспорту специальности Соответствие паспорту специальности 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»:
1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем;
2. Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем;
3. Исследование работоспособности и качества функционирования электро-технических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.
Соответствие паспорту специальности 05.09.10 «Электротехнология»:
1. Разработка новых технологических процессов для получения чистых металлов, сплавов с заданными физическими и химическими свойствами, в том числе для нужд полупроводниковой промышленности.
Выполненная диссертационная работа представляет собой научно-квалификационную работу, в которой изложены научно-обоснованные технологические решения по созданию нового агрегата, позволяющего получать качественный продукт с меньшими денежными затратами, а также разработка конструкции данного устройства на этапе составления технического задания по созданию опытно-промышленного образца, имеющие существенное значение для металлургии страны.
Основные результаты могут быть выражены в следующем:
1. Разработана и представляется впервые математическая модель, позволяющая исследовать процессы в загрузке МПА, состоящая из следующих основных взаимосвязанных элементов (подмоделей):
- модель электромагнитных процессов для нагревательного индуктора на основе метода Т-образных схем замещения, в которой учитываются: изменение магнитной проницаемости магнитной шихты в зависимости от напряженности магнитного поля индуктора; изменение уровня загрузки в процессе плавки; изменение удельной электропроводности загрузки в зависимости от ее температуры и агрегатного состояния;
- модель источника питания для нагревательной части, позволяющая реализовать: поддержание тока на уровне не выше номинального тока инвертора и не ниже минимального тока выпрямителя; поддержание температуры основного металла на заданном уровне;
- тепловая модель, основанная на детализированных эквивалентных тепловых схемах замещения, в которой учитываются: изменение уровня и геометрии загрузки по ходу процесса плавки; изменение физических пара-метров загрузки и узлов агрегата (теплоемкость, теплопроводность, плотность) в зависимости от температуры; определение и затвердевание загрузки; система охлаждения нагревательного индуктора; наличие нескольких источников поступления тепловой мощности в загрузку;
- модель электромагнитных процессов на основе метода детализированных схем замещения для вращающего индуктора;
- гидродинамическая модель, позволяющая производить расчет скорости вращения расплава и размеры лунки в ванне плавильного агрегата.
2. Создана компьютерная модель МПА, как многокомпонентного комплекса, реализованная в компьютерных программах в среде МАТ1АВ- 31ти1тк. Для управления работой МПА на всех этапах предусмотрено использование нескольких каналов воздействия: ток и частота тока индуктора ИТП; схема включения индуктора ИТП; ток и частота тока индуктора ЭМВ; довалки шихты при наплавлении подложки; подача в рабочую камеру реагента (шлака).
3. Произведена верификация электромагнитной модели нагревательной части на основе Т-образных и детализированных схем замещения с полевыми методами. Выполнено сравнение разработанной математической модели источника питания в статической постановке с его динамической моделью. Произведено сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными, которое показывает, что допущения, принятые при разработке моделей, приемлемы для получения достаточной для инженерной практики точности.
4. С помощью компьютерной модели проведены исследования разрабатываемого варианта МПА и созданной автором лабораторной модели. Подробно изучены особенности тепловых и электромагнитных процессов в за-грузке, влияние параметров загрузки на характеристики МПА на этапе создания жидкометаллической подложки, влияние параметров подложки на энергетические характеристики МПА и геометрию подложки. Выполнено исследование режимов работы МПА.
5. Даны рекомендации по формированию энергоэффективных режимов работы многофункционального плавильного агрегата, в частности, по выбору мощности источника питания, выбору масс довалок для достижения наибольшей скорости расплавления, возможные варианты реализации процесса контроля и управления мощностью экзотермических реакции восстановления оксидов. Сформулированы рекомендации к основным техническим решениям для создания опытно-промышленного образца МПА, в частности, по выбору конструкции ванны агрегата для обеспечения достаточного охлаждения, выбору размеров ванны, выбору проводника для ТЭМВ, выбору способа подогрева подложки до заданной температуры после ее расплавления.
Результаты исследований переданы ЗАО «РЭЛТЕК» и используются им при разработке и проектировании современных ПА на основе ИТП. Математические модели, программы и лабораторные модели используются в учебном процессе и научных исследованиях кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» УрФУ.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
